純電動(dòng)礦用卡車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文主要介紹了純電動(dòng)礦用卡車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，車輛電氣系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電池系統(tǒng)及管理系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)和輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及整車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各控制系統(tǒng)之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通訊，整車控制器VCU實(shí)時(shí)采集車輛各種數(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)車輛高壓上下電，駕駛員意圖判斷、動(dòng)力輸出控制、下坡定速巡航功能、輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制、車輛熱管理系統(tǒng)控制、車輛故障分級(jí)判斷及處理等功能，保證車輛起步平穩(wěn)、換擋平順并兼顧車輛動(dòng)力性能。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng) 礦用卡車 電氣系統(tǒng) 控制策略 設(shè)計(jì)

Electrical system Design of electric Mining truck

He Zhichao

Abstract：This article introduces electrical system design of electric Wide-body dump truck，electrical system of truck include battery management system、power distribution unit、meter display system、main drive system、 auxiliary drive system、vehicle control system，There is CAN bus between each system for the communication .VCU collect data and coordinated control all systems.VCU control function include power on and off、driving intention recognition、power output conrol、cruise control、thermal management、fault diagnosis.? The vehicle starts smoothly、shift-feel and performance.

Key words：Electric truck;Minging Truck ;Electrical System；control strategy；Design

1 引言

90噸礦用卡車是一種非公路型、短距離物料運(yùn)輸自卸車，適用露天礦山開采以及石料、冶金、水利、水泥、建筑等行業(yè)掘點(diǎn)和卸礦點(diǎn)間的物料運(yùn)輸。其運(yùn)行場(chǎng)景具有坡度大、運(yùn)程短、載荷變化大、線路相對(duì)固定、工況復(fù)雜的典型特點(diǎn)。針對(duì)這種特殊的工況，傳統(tǒng)燃油車具有油耗高、維護(hù)成本高、壽命較短等缺陷[1]。純電動(dòng)寬體自卸車使用動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替了原有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和手動(dòng)變速箱方案，車輛平路和下坡時(shí)，電機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能為動(dòng)力電池充電，既能夠減少機(jī)械剎車的使用，延長(zhǎng)剎車系統(tǒng)的壽命提升車輛安全性，又能增加車輛的續(xù)航里程。純電動(dòng)寬體自卸車主要部件基本免維護(hù)、防護(hù)等級(jí)高，特別適用于礦山工況惡劣的場(chǎng)合[2]。

2 電動(dòng)礦用卡車高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)礦卡主要使用電動(dòng)部件代替了原有的發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方案，電動(dòng)礦卡高壓部件主要包括動(dòng)力電池、高壓配電單元PDU、直流快充接口、多合一控制器、冷暖空調(diào)（電動(dòng)壓縮機(jī)和PTC加熱器）、轉(zhuǎn)向助力泵、氣泵、電池加熱和冷卻裝置，車輛高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示：

●動(dòng)力電池

動(dòng)力電池是電動(dòng)礦卡中能源供給裝置，需要給整車所有系統(tǒng)提供電能。當(dāng)電量消耗殆盡后，也需要給電池進(jìn)行充電。因此其電能流動(dòng)方向是雙向的。

●高壓配電盒（PDU）

PDU是一個(gè)高壓電源中轉(zhuǎn)分配的單元，高壓系統(tǒng)中各個(gè)組件都需要它進(jìn)行電量分配。比如電池加熱、充電回路、多合一控制器配電等。PDU內(nèi)部包含各高壓可控制回路的熔斷器、繼電器及預(yù)充電回路。同時(shí)安裝有維修開關(guān)，維修開關(guān)介于動(dòng)力電池和PDU之間，這是個(gè)必須的元件。當(dāng)維修動(dòng)力電池時(shí)，使用它可以進(jìn)行整車高壓電的切斷，確保維修安全。

●電機(jī)控制器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)

電機(jī)控制器將取自多合一控制器的高壓直流電轉(zhuǎn)為三相交流電提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)控制電機(jī)的輸出扭矩和旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)車輛的啟停、前進(jìn)和后退。另外驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可以將行駛中產(chǎn)生的機(jī)械能（如制動(dòng)能量），將其轉(zhuǎn)化為電能，最終回饋給動(dòng)力電池進(jìn)行電量的補(bǔ)充。

●直流快充接口

快充口的電是高壓直流電，可以不經(jīng)過(guò)處理直接通過(guò)PDU輸送給動(dòng)力電池進(jìn)行充電。

●多合一控制器

多合一控制器接收VCU控制指令，控制車輛各輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輔助驅(qū)動(dòng)主要包含駕駛室制冷空調(diào)壓縮機(jī)、暖風(fēng)PTC加熱器、轉(zhuǎn)向助力油泵、打氣泵、DC/DC的配電和控制。DC/DC主要作用是將動(dòng)力電池的高壓電轉(zhuǎn)換為低壓27.5V直流電給低壓鉛酸電池充電。相比傳統(tǒng)離散的控制器，多合一控制器可以減小控制器的總體積，從而節(jié)省了車輛的布置空間，同時(shí)，多合一控制器減少了離散控制器之間的高壓外部接線，降低了故障點(diǎn)，在節(jié)省成本的同時(shí)，提高了產(chǎn)品的可靠性和安全性。

●輔助高壓系統(tǒng)

（1）電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器主要為空調(diào)系統(tǒng)核心部件，只要作用是制冷、制熱功能；

（2）電動(dòng)打氣泵主要為制動(dòng)系統(tǒng)提供高壓壓縮空氣；

（3）電動(dòng)助力油泵為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供輔助動(dòng)力；

●熱管理系統(tǒng)

熱管理系統(tǒng)主要包括加熱和制冷功能，保證動(dòng)力電池工作在適宜溫度區(qū)間。

3 動(dòng)力電池的選型和設(shè)計(jì)

目前主流的電動(dòng)汽車電池基本選用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料、石墨作為負(fù)極的鋰離子電池，磷酸鐵鋰電池與三元電池相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.安全性能高：磷酸鐵鋰分解溫度約在600℃，即便在高溫或過(guò)充時(shí)也不會(huì)像三元電池一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)。在發(fā)生碰撞或短路時(shí)也不會(huì)發(fā)生爆炸；

2.循環(huán)壽命長(zhǎng)：電芯循環(huán)次數(shù)達(dá)到4000次，PACK成組后達(dá)到3000次；

3.高溫性能好：溫度范圍寬廣（-20-75）℃，有耐高溫特性；

4.更環(huán)保：磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬，無(wú)毒，無(wú)污染。

因此磷酸鐵鋰電池更適用于礦山這種工況惡劣、環(huán)境溫度變化范圍大、對(duì)安全性要求高的場(chǎng)景。電動(dòng)礦用卡車選用磷酸鐵鋰電池作為整車的動(dòng)力來(lái)源。車輛兩側(cè)各放置一組電池箱，每個(gè)電池箱內(nèi)由5個(gè)電池模組串聯(lián)連接，最終左右兩側(cè)電池箱形成雙支路并聯(lián)結(jié)構(gòu)共同為整車供電。動(dòng)力電池成組后技術(shù)參數(shù)如表１：

4 高壓配電盒設(shè)計(jì)

高壓配電盒（PDU）負(fù)責(zé)車輛高壓系統(tǒng)配電，其作用類似于低壓供電系統(tǒng)中的保險(xiǎn)盒，主要負(fù)責(zé)高壓電能的分配和高壓回路的過(guò)載及短路保護(hù)。配電盒將動(dòng)力電池總成輸送的電能分配給多合一控制器、電池的加熱和冷卻裝置。此外，直流快充時(shí)，充電電流也會(huì)經(jīng)過(guò)配電盒流入動(dòng)力電池為其充電。同時(shí)電池管理模塊BMS集成于高壓盒配電盒內(nèi)，BMS主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

●電池總電壓和充放電電流的采集功能；

●電池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，主要包括電池單體電壓和溫度，電池模組的溫度，充電插座溫度；

●整車高壓連接狀態(tài)和絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能；

●動(dòng)力電池SOC、SOH的估算功能;

●電池充電和放電策略的制定；

●電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制；

●電池的均衡控制，保證單體電池的一致性；

●電池的故障診斷和處理功能；

●與整車VCU的通訊功能，響應(yīng)VCU指令[3]。

PDU內(nèi)部高壓配電如圖２所示：

5 動(dòng)力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為集中式驅(qū)動(dòng)電機(jī)+AMT變速箱+后橋減速器結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用大功率永磁同步電機(jī)，額定功率250KW/峰值功率360KW，與異步電機(jī)相比具有更高的運(yùn)行效率、功率密度和扭矩密度，電機(jī)低速時(shí)可輸出大扭矩，便于車輛起步，電機(jī)高速時(shí)恒功率輸出，使車輛獲得更高的車速。

由于寬體自卸車在礦區(qū)運(yùn)行時(shí)載荷變化大、坡度大，為了兼顧車輛的爬坡性能、加速性能和經(jīng)濟(jì)性要求，動(dòng)力系統(tǒng)采用7擋AMT變速箱以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)工作在高效區(qū)同時(shí)滿足車輛動(dòng)力性需求。AMT變速箱采用無(wú)同步器的電控化換擋技術(shù)，VCU可根據(jù)車速、油門踏板深度、坡度等參數(shù)優(yōu)化換擋邏輯自動(dòng)完成車輛的升降檔控制，實(shí)現(xiàn)車輛換擋平順無(wú)沖擊，無(wú)離合器結(jié)構(gòu)降低變速箱故障率、延長(zhǎng)使用壽命[4]，同時(shí)不需要駕駛員頻繁操作換擋，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

6 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于電動(dòng)汽車而言，必須保證動(dòng)力電池工作在合理溫度范圍以內(nèi)，這就需要通過(guò)熱管理系統(tǒng)保證電池的使用性能和安全性。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電池的重要性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.電池容量：磷酸鐵鋰電池低溫性較差，可用容量將迅速發(fā)生衰減。-10℃時(shí)電池容量衰減達(dá)40%，-20℃時(shí)容量衰減達(dá)60%。

2.電池的安全性：低溫條件下對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，鋰離子在負(fù)極中的擴(kuò)散被抑制，電解液的導(dǎo)電率下降，從而導(dǎo)致嵌入速率降低而在負(fù)極表面上堆積金屬鋰，形成鋰枝晶，容易刺破隔膜與正極相連，造成內(nèi)部短路，易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

3.電池使用壽命：電池的適宜溫度約在10～30℃之間，過(guò)高或過(guò)低的溫度將引起電池壽命的較快衰減。

由于礦用卡車運(yùn)行時(shí)充放電電流較大，因此熱管理系統(tǒng)選用散熱效率更高的液冷散熱技術(shù)。液冷散熱技術(shù)，通過(guò)加熱或冷卻冷卻液，保證電池工作溫度在25℃-35℃范圍內(nèi)，以維持電池在最佳使用狀態(tài)，同時(shí)可控制單體電芯溫差在5℃以內(nèi)，保證整個(gè)電池系統(tǒng)的性能和壽命[5]。

熱管理系統(tǒng)內(nèi)部換熱器有2個(gè)流道，一個(gè)流到內(nèi)部流通冷卻液，另一個(gè)流道內(nèi)部流通制冷劑，單層為冷卻液，偶數(shù)層為制冷劑，兩者進(jìn)行熱交換，冷卻液經(jīng)過(guò)熱交換后變?yōu)榈蜏乩鋮s液進(jìn)入電池中，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻。溫度降低時(shí)開啟PTC加熱器加熱冷卻液，通過(guò)冷卻液對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱。熱管理系統(tǒng)原理圖如圖４所示：

7 車輛CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

CAN英文全稱為（Controller Area Network）即局域網(wǎng)控制器，CAN能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時(shí)控制，能夠?qū)⒍喾N車輛控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，并進(jìn)行統(tǒng)一控制。伴隨著汽車上電控單元的逐漸增多，CAN總線通訊已經(jīng)廣發(fā)應(yīng)用于汽車行業(yè)。其主要特點(diǎn)如下：

（1）CAN總線傳輸只需兩根線，多個(gè)節(jié)點(diǎn)只需掛到總線即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間通訊，省掉了節(jié)點(diǎn)之間的連線，CAN總線的使用簡(jiǎn)化了汽車布線的設(shè)計(jì)，降低了線束的重量，便于汽車輕量化的設(shè)計(jì)；

（2）CAN總線的信號(hào)數(shù)據(jù)采用差分信號(hào)傳輸，對(duì)外界擾動(dòng)的抵抗能力強(qiáng)，提高了

（3）汽車電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

（4）CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以表較容易的增加或刪減，設(shè)計(jì)的靈活性大大增強(qiáng)

（5）通信速率最高可達(dá)1Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng);

（6）節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng) 關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響[6]。

純電動(dòng)礦用卡車上電控部件多、控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高，因此整車CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)各部件實(shí)現(xiàn)功能、數(shù)據(jù)傳輸速率的不同、總線負(fù)載率的要求主要分為充電CAN1、整車CAN3、動(dòng)力CAN4、電池內(nèi)部CAN2，整車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖５所示：

8 整車控制VCU功能設(shè)計(jì)

整車控制器VCU是電動(dòng)汽車的核心部件，車輛的駕駛平順性、能耗經(jīng)濟(jì)性、以及運(yùn)行可靠性都與VCU的有效控制息息相關(guān)。VCU的主要功能可以分為以下幾方面：

●車輛高壓上下電流程控制；

●駕駛員意圖判斷，通過(guò)油門、剎車、擋位等信號(hào)獲取駕駛員意圖；

●坡道起步及防溜車功能；

●車輛平路及坡道換擋控制策略[7]；

●下坡定速巡航功能；

●整車的動(dòng)力輸出控制及能量回饋策略制定；

●整車的輔助系統(tǒng)控制；

●整車的故障診斷與分級(jí)處理；

●車輛的狀態(tài)監(jiān)控并通過(guò)顯示系統(tǒng)反饋駕駛員；

●整車自定義功能設(shè)定；

●各部件控制器協(xié)調(diào)控制；

●優(yōu)化車量經(jīng)濟(jì)性能，提高駕駛舒適性；

●現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互、車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（1）車輛高壓上下電流程控制

◆高壓上電流程

①整車上低壓ON檔電，各控制單元被VCU喚醒；

②VCU接收到鑰匙Start信號(hào)后，閉合主負(fù)繼電器，檢測(cè)到主負(fù)繼電器閉合后延時(shí)500ms，閉合預(yù)充繼電器進(jìn)行預(yù)充；

③預(yù)充完成后閉合主正繼電器，預(yù)充時(shí)間不大于1s；

④閉合主正后延時(shí)500ms，斷開預(yù)充繼電器，高壓上電完成，發(fā)送高壓上電標(biāo)志Ready信號(hào)。

◆高壓下電流程

①待ON檔消失（持續(xù)500ms）后，BMS等待VCU下電指令。若25s未收到VCU下電指令，BMS會(huì)強(qiáng)制下電休眠。

②VCU發(fā)送下電指令，關(guān)閉整車高壓部件使能信號(hào)，當(dāng)母線電流小于5A，則先后斷開主正繼電器和主負(fù)繼電器。

③開啟快速放電，當(dāng)檢測(cè)到母線電壓低于36V時(shí)，高壓下電完成。

④高壓下電完成500ms后，VCU進(jìn)入休眠狀態(tài)。

（2）驅(qū)動(dòng)控制器策略

電動(dòng)礦卡需要根據(jù)實(shí)際使用工況，制定適合車輛的運(yùn)行策略，以達(dá)到提高運(yùn)行效率，減少能量消耗的目的。因此在響應(yīng)駕駛員加速踏板、剎車踏板等信息時(shí)就需要結(jié)合當(dāng)前車輛狀態(tài)進(jìn)行修正并選擇合適的扭矩曲線和扭矩響應(yīng)時(shí)間輸出合適的扭矩。

（3）能量回饋控制策略

能量回饋是指車輛在制動(dòng)時(shí)利用電機(jī)特性進(jìn)行電能反饋到動(dòng)力電池同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)力矩的一種能量回收策略。其制動(dòng)扭矩安全輸出問(wèn)題由以下條件約束：電池最大充電能力約束，電池單體以及SOC狀態(tài)約束，電機(jī)制動(dòng)能力約束及最低車速限制[8]。

（4）故障分級(jí)處理策略

嚴(yán)格控制故障分類分級(jí)，根據(jù)實(shí)際情況制定故障處理機(jī)制，保證車輛安全運(yùn)行。

對(duì)故障進(jìn)行三個(gè)等級(jí)分類：

a、低等級(jí)故障：儀表聲光報(bào)警，車輛可繼續(xù)運(yùn)行；

b、中等級(jí)故障：儀表聲光報(bào)警，車輛50%功率運(yùn)行，儀表提示降功率；

c、高等級(jí)故障：儀表聲光報(bào)警，停車，切斷高壓（絕緣電阻、短路、碰撞）。

VCU控制策略基于完整的V流程策略開發(fā)模式，采用交互式算法開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證，在多個(gè)環(huán)節(jié)確保策略安全性；采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與基于模型的聯(lián)合開發(fā)方式，可針對(duì)具體工況、具體使用環(huán)境做定制化、智能化策略開發(fā)，提高適配性與安全性[8]。

9 結(jié)論

礦用卡車采用純電驅(qū)動(dòng)后，車輛沒(méi)有有二氧化碳、氮氧化合物、顆粒物等尾氣排放，不會(huì)污染環(huán)境，車輛不需要更換發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油濾和空濾，節(jié)省工時(shí)和保養(yǎng)費(fèi)用，提升設(shè)備出勤率。整車燃料消耗費(fèi)用大幅降低。電動(dòng)礦卡使用成本可節(jié)約60%-80%，為用戶創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟(jì)效益。特別是重載下工況，可將制動(dòng)能量進(jìn)行回收，給動(dòng)力電池進(jìn)行充電，增加車輛續(xù)航里程的同時(shí)，減少機(jī)械制動(dòng)的使用頻次，延長(zhǎng)制動(dòng)系統(tǒng)部件的使用壽命。隨著電池技術(shù)的逐步發(fā)展，電動(dòng)礦卡將逐漸取代傳統(tǒng)燃油礦卡。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐鵬，張華堂.新型礦用純電動(dòng)寬體自卸車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)代礦業(yè)[J].2019，（3）：163-165.

[2]趙雷雷，王斌.純電動(dòng)卡車發(fā)展的技術(shù)分析與研究，汽車實(shí)用技術(shù)[J].2013，（2）：25-28.

[3]陳綺龍，孫建國(guó)，陳凱等.純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)代車用動(dòng)力[J].2022，（1）：1-6，35.

[4]徐凱，王建平，左夢(mèng)玲等.純電動(dòng)汽車AMT換擋控制策略研究，汽車電器[J].2021，（5）：27-29，31.

[5]賈明正，李雪麗，趙志豪.純電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)研究，時(shí)代汽車[J].2022（8）：121-123.

[6]賀志超.煤礦井下無(wú)軌膠輪車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，煤礦機(jī)械[J].2010，（12）：16-19.

[7]張金成，王陶，王良模等.純電動(dòng)汽車坡道行駛驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略，江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)[J].2021，42（5）：06-512.

[8]翟世歡，辛明華.純電動(dòng)汽車整車控制策略，汽車工程師[J].2014，（12）：28-31.